Materiais de Engenharia
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Materiais de Engenharia

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as duas principais matérias primas para a

produção de plásticos. Na destilação fracionada do petróleo são obtidas di-
versas frações de hidrocarbonetos. A fração de maior importância na produ-
ção de plásticos é a nafta. Por exemplo, de cada 100 toneladas de petróleo
pode-se obter cerca de 20 toneladas de nafta e pouco mais de 5 toneladas de
polietileno.

Os polímeros podem ser classificados em três grupos principais:

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• termoplásticos. Podem ser repetidamente conformados mecanicamente
desde que reaquecidos. Portanto, não só a conformação a quente de
componentes é possível, mas também a reutilização de restos de produ-
ção, que podem ser reintroduzidos no processo de fabricação (recicla-
gem). Muitos termoplásticos são parcialmente cristalinos e alguns são
totalmente amorfos. Exemplos típicos de termoplásticos são: polietile-
no, policloreto de vinila (PVC), polipropileno e poliestireno.

• termorígidos. São conformáveis plasticamente apenas em um estágio
intermediário de sua fabricação. O produto final é duro e não amolece
mais com o aumento da temperatura. Uma conformação plástica poste-
rior não é portanto possível. Não são atualmente recicláveis. Os termo-
rígidos são completamente amorfos, isto é, não apresentam estrutura
cristalina. Exemplos típicos de termorígidos são: baquelite, resinas epo-
xídicas, poliésteres e poliuretanos.

• elastômeros (borrachas). São também materiais conformáveis plastica-
mente, que se alongam elasticamente de maneira acentuada até a tem-
peratura de decomposição e mantém estas características em baixas
temperaturas. Os elastômeros são estruturalmente similares aos termo-
plásticos, isto é, eles são parcialmente cristalinos. Exemplos típicos de
elastômeros são: borracha natural, neopreno, borracha de estireno, bor-
racha de butila e borracha de nitrila.
O consumo de polímeros em um país industrializado, como a Inglaterra,

é predominantemente de termoplásticos (55%), depois vem as borrachas
(27%) e em seguida os termorígidos (10%) e outros produtos poliméricos
(8%).

Os maiores produtores mundiais de polímeros são: Estados Unidos
(29%), Japão (12%), Alemanha (10%), Ex-URSS (6%), França (5%) e outros
(38%).

O nível de desenvolvimento industrial de um país ou continente pode
ser avaliado pelo consumo de plásticos, conforme ilustra a tabela 1.1.

20 CAPÍTULO 1

Tabela 1.1 — Consumo de plásticos em diversos países e regiões.

Região Total(milhões de toneladas) Por habitante (kg)
Europa Ocidental 22 63
Estados Unidos 21 89
Canadá 2 80
Japão 7 58
Índia 1 1,3
América do Sul 3 7,5
África 1 2
África do Sul 0,7 21
Ex-URSS 7 17,5

Materiais compósitos

Os materiais compósitos são materiais projetados de modo a conjugar
características desejáveis de dois ou mais materiais.

Um exemplo típico é o compósito de fibra de vidro em matriz poliméri-
ca. A fibra de vidro confere resistência mecânica, enquanto a matriz polimé-
rica, na maioria dos casos constituída de resina epoxídica, é responsável pela
flexibilidade do compósito.

A matriz pode ser polimérica, metálica ou cerâmica. O mesmo vale para
o reforço, que pode estar na forma de dispersão de partículas, fibras, bastone-
tes, lâminas ou plaquetas.

Os materiais compósitos são também conhecidos como materiais con-
jugados ou materiais compostos.

A madeira é um material compósito natural, em que a matriz e o reforço
são poliméricos. O concreto é outro compósito comum. Neste caso, tanto a
matriz como o reforço são materiais cerâmicos. No concreto, a matriz é
cimento Portland e o reforço é constituído de 60 a 80% em volume de um
agregado fino (areia) e de um agregado grosso (pedregulho). O concreto pode
ainda ser reforçado com barras de aço.

A grande expansão no desenvolvimento e no uso dos materiais compó-
sitos iniciou-se na década de 1970, conforme mostra a figura 1.2.

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Outros grupos ou tipos de materiais

Além dos quatros grupos principais mencionados anteriormente, exis-
tem alguns grupos emergentes de materiais, tais como: materiais semicondu-
tores, materiais supercondutores, polímeros condutores e silicones.

Os materiais semicondutores têm propriedades elétricas intermediárias
entre condutores e isolantes. Além disto, as características elétricas destes
materiais são extremamente sensíveis à presença de pequenas concentrações
de impurezas. Os semicondutores tornaram possível o advento dos circuitos
integrados, que revolucionaram as indústrias eletrônica e de computadores
nas últimas duas décadas. Os semicondutores podem ser elementos semi-me-
tálicos puros como o silício e o germânio ou compostos como GaP, GaAs e
InSb.

Os materiais supercondutores apresentam resistência elétrica desprezí-
vel abaixo de uma certa temperatura, denominada temperatura crítica. Eles
podem ser tanto materiais metálicos como materiais cerâmicos. Os melhores
supercondutores metálicos são geralmente compostos intermetálicos, tais
como Nb3Sn e Nb3Ge ou soluções sólidas tais como Nb-Ti e Nb-Zr. Mesmo
os melhores supercondutores metálicos têm temperatura crítica muito baixa,
menor que 23 K. Os condutores cerâmicos, descobertos recentemente, são
óxidos mistos e apresentam temperatura crítica por volta de 100 K, mas a
quantidade de corrente conduzida (corrente crítica) é muito baixa.

Enquanto os polímeros condutores encontram-se em fase de desenvolvi-
mento, os silicones já são amplamente utilizados na forma de óleos, borra-
chas e resinas.

Produção

Ano

Figura 1.2 — Evolução da produção de alguns materiais nos EUA.

22 CAPÍTULO 1

Materiais tradicionais e materiais avançados

As transições da pedra para o bronze, e do bronze para o ferro foram
revolucionárias pelo seu impacto, mas foram relativamente lentas em termos
de escala de tempo.

As mudanças na inovação e na aplicação dos materiais ocorridas no
último meio século, entretanto, ocorreram em intervalos de tempo que foram
revolucionárias ao invés de evolucionárias.

A despeito disto, os materiais podem ser classificados em quatro níveis,
conforme o grau de conhecimento científico utilizado no seu desenvolvimen-
to.

Esta classificação é apresentada abaixo:
I. Materiais naturais. Exemplos: madeira, couro, diamante, cobre, ligas fer-
rosas provenientes de meteoritos e borracha.
II. Materiais desenvolvidos empiricamente. Exemplos: bronze, aço comum,
ferro fundido, cerâmicas sílico-aluminosas, vidro, cimento e concreto.
III. Materiais desenvolvidos com auxílio qualitativo de conhecimentos cientí-
ficos, isto é, as considerações científicas orientaram seus descobrimentos e a
interpretação qualitativa de suas propriedades. Exemplos: ligas mais antigas
de alumínio, de titânio e de magnésio, metal duro, aços inoxidáveis, aços
microligados, termoplásticos, termorígidos, elastômeros e ferritas.
IV. Materiais projetados (novos ou aperfeiçoados) quase que exclusivamente
a partir de conhecimentos científicos e cujas propriedades podem ser quanti-
tativamente previstas. Exemplos: semicondutores, materiais para reatores nu-
cleares, aços de ultra-alta resistência mecânica, materiais compósitos reforça-
dos com fibras, ligas com memória de forma e vidros metálicos.

Neste ponto deve-se destacar que velho ou novo nem sempre tem rela-
ção direta com tradicional ou avançado. Por exemplo, um aço maraging,
contendo um total de cerca de 30% em vários elementos de liga e que após
sofisticados tratamentos termomecânicos, apresenta um limite de escoamento
acima de 3 GPa, é um material muito avançado, embora as ligas de ferro
tenham mais de 5 milênios de história. Por outro lado, a simples combinação
de dois ou três compostos exóticos raramente leva a um material avançado.

Finalmente, é importante destacar que o grau de conhecimento científi-
co empregado no desenvolvimento de um material tem efeito determinante
no seu preço e a capacidade de produzi-los é uma medida do grau de desen-
volvimento tecnológico (e independência) de uma nação.

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O preço dos materiais e dos produtos acabados

O preço talvez seja